電光效應的案例
：異型和同型異質結光電二極管中的壓電光電子學效應
【引言】
近年來，壓電光電子學效應廣泛被用于各類半導體光電器件的性能調制，包括：太陽能電池、發光二極管、光電二極管和光探測器等。然而，關于壓電光電子學效應在不同器件結構和材料體系的半導體光電器件中的調制作用機制研究還鮮見報道。更重要的是，壓電光電子學效應不僅會產生使器件性能增強的作用，還可能會產生使器件性能削弱的作用，極大地限制了壓電光電子學效應能夠達到的器件性能增強的最大幅度。
【成果簡介】
近日，在西安交通大學電子與信息工程學院微電子學院賀永寧教授和彭文博博士講師的指導下，潘子健和李芳沛等研究成員以異型和同型異質結光電二極管為研究對象，通過對比壓電光電子學效應在兩種異質結光電二極管器件中的性能調制作用，系統地研究了不同器件結構對壓電光電子學效應的影響。研究結果表明，壓電光電子學效應能使p-n異型異質結光電二極管器件的性能增強約150%，而僅能使n-n同型異質結光電二極管器件的性能增強約55%。通過系統地分析壓電電荷對兩種器件能帶結構的調制作用，發現：壓電光電子學效應在p-n異型異質結光電二極管器件中引入了兩種增強器件性能的正效應，而其在n-n同型異質結光電二極管器件中不僅引入了一種增強器件性能的正效應，還引入了兩種削弱器件性能的負效應，因此壓電光電子學效應對前者的性能增強作用更顯著。此外，有限元仿真結果表明壓電光電子學效應對p-p同型異質結光電二極管器件性能的調制作用與其對n-n同型異質結光電二極管器件性能的調制作用類似。
展開 ACS Photonic封面文章：首個基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片
為解決現有FPA在可靠性、速度、功耗等方面的瓶頸問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室使用薄膜鈮酸鋰開發出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片，實現速度和功耗性能的顯著提升。
相關工作以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”為題發表于《ACS Photonics》，并被選為封面論文。訊技光電科技（上海）有限公司的VirtualLab Fusion軟件為該項研究成果提供了設計及性能仿真。
研究背景
焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）作為一種重要的全固態光束掃描技術，通過光開關陣列控制光信號從不同位置處的光柵輻射器發射信號，經過置于其上的透鏡后產生一個和輻射器位置相關的偏轉角，從而在無可動部件的情況下實現光束掃描。現有FPA要么使用MEMS結構實現光開關陣列，要么通過熱光效應構建光開關陣列。基于MEMS結構的FPA受其內部可動機械部件的限制而存在速度有限、可靠性差等問題，基于熱光效應的FPA則具有熱光器件固有的速度慢、功耗高等問題。因此，現有熱光式焦平面陣列芯片存在可靠性低、速度慢、功耗高等問題。
為解決上述問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應研制出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片。這種電光式FPA在保證可靠性的同時，相比現有FPA在速度、功耗上的性能至少提升了2個數量級。這一結果有望推動FPA在自由空間光通信及遠距離激光雷達等領域的應用。
展開 ACS Photonic封面文章：首個基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片
為解決現有FPA在可靠性、速度、功耗等方面的瓶頸問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室使用薄膜鈮酸鋰開發出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片，實現速度和功耗性能的顯著提升。
相關工作以“Focal Plane Array Based on Thin-Film Lithium Niobate for Fast-Speed and Low-Power-Consumption Beam Steering”為題發表于《ACS Photonics》，并被選為封面論文。訊技光電科技（上海）有限公司的VirtualLab Fusion軟件為該項研究成果提供了設計及性能仿真。
研究背景
焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）作為一種重要的全固態光束掃描技術，通過光開關陣列控制光信號從不同位置處的光柵輻射器發射信號，經過置于其上的透鏡后產生一個和輻射器位置相關的偏轉角，從而在無可動部件的情況下實現光束掃描。現有FPA要么使用MEMS結構實現光開關陣列，要么通過熱光效應構建光開關陣列。基于MEMS結構的FPA受其內部可動機械部件的限制而存在速度有限、可靠性差等問題，基于熱光效應的FPA則具有熱光器件固有的速度慢、功耗高等問題。因此，現有熱光式焦平面陣列芯片存在可靠性低、速度慢、功耗高等問題。
為解決上述問題，西北工業大學機電學院空天微納系統教育部重點實驗室基于薄膜鈮酸鋰的電光效應研制出全球首款基于電光效應的焦平面陣列光束掃描芯片。這種電光式FPA在保證可靠性的同時，相比現有FPA在速度、功耗上的性能至少提升了2個數量級。這一結果有望推動FPA在自由空間光通信及遠距離激光雷達等領域的應用。
展開 基于第三代半導體材料的壓電電子學和壓電光電子學
針對壓電半導體中極化電荷和半導體特性耦合過程的研究和應用，佐治亞理工學院及中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士分別于2007年和2010年首次提出壓電電子學和壓電光電子學的基本概念和原理，并建立了壓電電子學和壓電光電子學這兩大新興學科。在壓電電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對金屬-半導體肖特基結或p-n結界面處的載流子傳輸過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電電子學器件（例如晶體管，邏輯電路等）中的門控信號。在壓電光電子電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對光生載流子的產生，復合，分離以及輸運的過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電光電子學器件（例如光電探測器，發光二極管等）中的門控信號。
壓電電子學和壓電光電子學不僅提供了豐富的基礎研究機會，并在人機交互、微納機電器件、傳感和自驅動系統，人工智能等領域也具有廣闊的應用前景，由此激發了科研人員在這個領域的研究興趣。近年來對于壓電電子學和壓電光電子學的基礎及應用研究取得了快速地發展。多種功能材料中的壓電電子學和壓電光電子學的基本效應得到了系統深入地研究，相關的理論體系得以建立，諸多壓電電子學和壓電光電子學器件也被設計研發。為增進研究者們對壓電電子學與壓電光電子學的理解以推進其實際應用，王中林院士組織領域內研究者在2018年12月的美國材料學會會刊（MRS Bulletin）上撰寫了主題為“壓電電子學和壓電光電子學”的專刊。該期專刊的八篇綜述文章從基礎材料特性，相關效應的物理過程，器件設計和應用，及理論計算和分析等角度全方位地回顧了壓電電子學和壓電光電子學的最新學科進展，并對未來的研究趨勢做了深入討論。
展開 
【Lumerical系列】硅基光電調制器（1）——基本原理
直接調制器件是將射頻信號（或稱調制信號）與驅動電流耦合，直接驅動光源進行電光調制（示意圖如下），典型的例子為具有泵浦電流調制功能的常用半導體激光二極管，可以在高達30 GHz以及更高的頻率下工作。優點為結構簡單、易于實現，技術較為成熟，缺點為調制頻率易受到限制，且輸出光信號的頻率也會隨注入電流變化出現啁啾現象，因此不適用于高速率以及長距離的通信場景。
圖1：直接調制器件原理圖
外部調制器件也稱為間接調制一方面可以通過改變材料對光的吸收，改變光信號的強度，進而達到調制光信號的目的，另一方面可以利用外加各種形式的能量使材料折射率發生變化，引起光信號強度發生變化。因此外部調制器件也可分為電吸收型和折射率改變型，根據能量形式的不同，折射率改變型又可分為：電光調制、熱光調制、聲光調制以及磁光調制。
圖2：外部調制器件原理圖
電光調制中常用的物理效應
(一)泡克耳斯效應：折射率實部變化引起相位調制
1.泡克耳斯效應（Pockels effect）是電光效應的一種，由于其外加電場引起的晶體折射率變化正比于電場強度， 因此又稱作線性電光效應。此外，還有二階非線性電光效應—克爾效應，其外加電場引起的晶體折射率變化正比于電場強度的平方。
展開 什么是光學計算？如何在 COMSOL 中分析光學計算器件
如果我們想構建一個包含大量組件的光網絡，就需要一種更具可擴展性的方法。基于目前互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造平臺的集成硅光子學是一個很有前途的候選方案，適合大規模生產高度小型化的光學元件。與自由空間的馬赫-曾德爾調制器類似，基于波導耦合器的集成馬赫-曾德爾調制器具有相同的光學功能，但體積要小4個數量級。這使得設計光學芯片成為可能。設計一個具有光束 50:50 分割和足夠相移的馬赫-曾德爾調制器需要進行幾何調整和優化。我們在這里不做詳述，但您可以閱讀這篇文章：如何設計一個使用電光效應作為相移機制的波導馬赫-曾德爾調制器。
類似地，熱光效應也常用于引起折射率調制，從而引起相移。
一個光學 4×4 酉矩陣乘法核心。該設備由 6 個馬赫–曾德爾調制器網絡組成。它對輸入矢量進行 4×4 酉矩陣乘法。可以通過使用電光效應或熱光效應在每個馬赫–曾德爾調制器中引起相移來對矩陣進行編程。
第一個馬赫–曾德爾調制器中的第一個移相器是連續調諧的。這會在第一和第二輸出中引起矢量旋轉。
廣義 n×m 矩陣乘法
到目前為止，我們已經建立了使用馬赫-曾德爾調制器 的光網絡來進行任意 n×n 酉矩陣乘法。顯然，n×n 酉矩陣是一類非常特殊的矩陣。為了使系統普遍適用，我們需要求解廣義的 n×m 矩陣乘法，這不僅限于酉矩陣和方陣的情況。這是可能的，因為有奇異值分解 (SVD)。SVD 表明任何 n×m 矩陣 可以分解為 ， 式中 是一個 n×n 酉矩陣， 是一個 n×m 對角矩陣， 是一個 m×m 酉矩陣。 表示復共軛。因此，當計算 時，我們只需要一個用于 的光網絡，一個用于 的光網絡, 并用代表對角線矩陣 的衰減器陣列連接它們，因為對角矩陣僅表示每個元素按常數縮放。衰減器也可以由具有單輸入和單輸出的馬赫-曾德爾調制器制成。
展開 Zemax案例 | 光束整形技術及其應用
仿真流程：結合Fresnel衍射積分公式，通過專業設計工具建立微透鏡陣列模型、定義核心參數，仿真光束均化過程并優化陣列排布，抑制干涉效應。
仿真成果：可模擬微透鏡陣列的光束均化效果，生成均化面光強分布仿真圖，驗證快軸發散角2.8mrad、慢軸發散角48.93%的設計指標；通過能量流分析功能，量化能量利用率與均勻性，為一體化結構設計提供數據支撐。
動態光學元件整形系統
動態光學元件以液晶空間光調制器（LC-SLM）為核心，憑借實時可編程、多參數可調的優勢，成為高端光學系統的理想方案。其核心技術在于通過電場調控液晶分子排列，實現光束相位與振幅的動態調制。
（1）LC-SLM的核心仿真原理
LC-SLM的整形效果依賴液晶的電光效應（扭曲向列效應、電控雙折射效應），其中相位延遲公式、分子偏轉角與電壓關系、強度調制公式均為仿真設計的核心理論依據。其仿真流程如下：
物理模型搭建與仿真：結合論文中液晶電光效應相關公式，通過專業設計工具建立LC-SLM模型、定義核心物理參數，完成動態調制仿真與性能優化，驗證設計合理性。
（2）動態整形的仿真價值與應用效果
動態性能可視化：可生成LC-SLM動態相位調制的仿真視頻，直觀呈現不同電壓下光束形狀的變化過程，驗證輸出光束與預定目標光斑99.83%的相似度。
多目標優化：針對光束均勻性與能量利用率難以兼顧的問題，通過多目標優化算法，仿真疊加閃耀光柵移除零級光的效果，實現能量利用率72.3%、均勻性97.2%的方形平頂光束。
算法集成適配：支持導入末位淘汰制GSGA混合算法優化后的相位分布函數，仿真結果顯示誤差平方和降低10.1%，對相位初值的依賴程度降低1個數量級。
展開 什么是集成光學？
采用類似于半導體集成電路的方法，把光學元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，是解決原有光學系統小型化和提高整體性能問題的重要途徑。這樣的集成器件具有體積小、性能穩定可靠、效率高、功耗低，使用方便等優點。
總的來說，用集成光路代替集成電路的優點包括帶寬增加，波分復用，多路開關，耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備經濟性好，可靠性高等。由于光和物質的多種相互作用，還可以在集成光路的構成中，利用諸如光電效應、電光效應、聲光效應、磁光效應、熱光效應等多種物理效應，實現新型的器件功能。
二、集成光學研究應用
集成光學在工業、軍事、經濟等各個領域內都有廣泛的應用，但主要應用在以下幾方面：
1.通信與光網絡
光集成器件是實現高速率大容量光通信網絡的關鍵硬件，包括高速響應集成激光源、波導光柵陣列密集波分復用器、窄帶響應集成光電探測器、路由選擇的波長變換器、快速響應光開關矩陣、低損耗多址波導分束器等。
2.光子計算機
所謂光子計算機，就是利用光作為信息的傳遞媒體的計算機。光子屬玻色子，不帶電荷，光束可以平行或交叉通過而不相互影響，具有先天的巨平行處理能力。光子計算機還有信息存儲量大、抗干擾能力強、對環境條件要求低、容錯性強等優勢。而光子計算機的最基本的功能元件就是集成光開關和集成光邏輯元件。
3.其他方面的應用，如光信息處理器、光纖傳感器、光纖光柵傳感器、光纖陀螺等。
展開 什么是集成光學？
采用類似于半導體集成電路的方法，把光學元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，是解決原有光學系統小型化和提高整體性能問題的重要途徑。這樣的集成器件具有體積小、性能穩定可靠、效率高、功耗低，使用方便等優點。
總的來說，用集成光路代替集成電路的優點包括帶寬增加，波分復用，多路開關，耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批制備經濟性好，可靠性高等。由于光和物質的多種相互作用，還可以在集成光路的構成中，利用諸如光電效應、電光效應、聲光效應、磁光效應、熱光效應等多種物理效應，實現新型的器件功能。
二、集成光學研究應用
集成光學在工業、軍事、經濟等各個領域內都有廣泛的應用，但主要應用在以下幾方面：
1.通信與光網絡
光集成器件是實現高速率大容量光通信網絡的關鍵硬件，包括高速響應集成激光源、波導光柵陣列密集波分復用器、窄帶響應集成光電探測器、路由選擇的波長變換器、快速響應光開關矩陣、低損耗多址波導分束器等。
2.光子計算機
所謂光子計算機，就是利用光作為信息的傳遞媒體的計算機。光子屬玻色子，不帶電荷，光束可以平行或交叉通過而不相互影響，具有先天的巨平行處理能力。光子計算機還有信息存儲量大、抗干擾能力強、對環境條件要求低、容錯性強等優勢。而光子計算機的最基本的功能元件就是集成光開關和集成光邏輯元件。
3.其他方面的應用，如光信息處理器、光纖傳感器、光纖光柵傳感器、光纖陀螺等。
展開 基于comsol的泡克耳斯效應電場強度傳感器
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p>光的分量隨電壓變化</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/202008/9de0833a4e25436f8b5a5b14e851fab0.gif" title="Untitled.gif" alt="Untitled.gif" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202008/9de0833a4e25436f8b5a5b14e851fab0.gif?image_process=/format,webp/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202008/9de0833a4e25436f8b5a5b14e851fab0.gif?image_process=/format,webp" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202008/9de0833a4e25436f8b5a5b14e851fab0.gif">
</div><p> 泡克爾效應也稱電光效應，光介質在恒定或交變電場下產生光的雙折射效應，這是一種線性電-光效應，其折射率的改變和所加電場的大小成正比[1]。
展開 【Lumerical系列】硅基光電調制器（2）——常見的三種調制結構
上一期我們介紹了光學調制的基本概念并總結了電光調制中常用的物理效應，對于硅材料而言，主要的電光效應包括克爾效應、弗朗茲-－凱爾迪什（F-K）效應、量子限制斯塔克（QCSE）效應和等離子體色散（PD）效應等，但體硅材料中克爾效應和F-K效應都非常微弱，因此硅基高速電光調制一般都利用硅材料的等離子體色散效應來實現調制。
硅光子平臺需要利用載流子注入來實現等離子體色散效應，通過在波導上外加偏置電壓使自由載流子濃度發生變化，進而使輸出光波的幅值和相位發生改變，最終實現電光調制，但受到載流子本身的復合壽命的限制，器件的開關速度只能達到MHz量級，接下來我們簡單介紹下等離子體色散效應中的幾種常見調制機制。
等離子體色散效應中常見的三種調制結構（調制機制）
1. 載流子注入型：
圖1（a）載流子注入型結構示意圖（圖片來自文獻1，2）
圖1（b）載流子注入型原理示意圖（圖片來自文獻1，2）
1) 結構描述：
早期的高速調制器的工作原理多為載流子注入型，采用橫向PIN結構（也有垂直PIN結構），在波導兩側區域進行高濃度摻雜，而波導中摻雜濃度較低，通過正向偏置PIN結注入少數載流子。當波導橫截面較小的上，基于載流子注入的調制器可獲得較大的擴散電容（通常約為10 pF），因此可以實現相對較高的調制效率。
2) 調制過程：
施加正向偏置電壓→波導中載流子濃度升高→波導折射率和吸收系數改變→實現電光調制。
3) 電極結構：
載流子注入型的結構約為幾百微米，通常使用集總電極來驅動。
4) 限制因素：
a) 注入的電子-空穴對的復合時間。
b) 驅動電極的輸出電阻與P區（N區）摻雜區域的體電阻總和。
展開 
基于optisystem的光發送機的設計和仿真
1.1 光發送機簡介
一個基本的光通訊系統主要由三個部分構成，如下圖1.1所示：
圖1.1 光通訊系統的基本構成
1）光發送機 2） 傳輸信道 3）光接收機
作為一個完整的光通訊系統，光發送機是它的一個重要組成部分，它的作用是將電信號轉變為光信號，并有效地把光信號送入傳輸光纖。光發送機的核心是光源及其驅動電路。現在廣泛應用的有兩種半導體光源：發光二級管（LED）和激光二級管（LD）。其中LED輸出的是非相干光，頻譜寬，入纖功率小，調制速率低；而LD是相干光輸出，頻譜窄，入纖功率大、調制速率高。前者適宜于短距離低速系統，后者適宜于長距離高速系統。
一般光發送機由以下三個部分組成：
1) 光源（Optical Source）：一般為LED和LD。
2) 脈沖驅動電路（Electrical Pulse Generator）：提供數字量或模擬量的電信號。
光調制器（Optical Modulator）：將電信號（數字或模擬量）“加載”到光波上。以光源和調制器的關系來看，可劃分為光源的內調制和光源的外調制。采用外調制器，讓調制信息加到光源的直流輸出上，可獲得更好的調制特性、更好的調制速率。目前常采用的外調制方法為晶體的電光、聲光及磁光效應。
圖1.2為一個基本的外調制激光發射機結構：在該結構中，光源為頻率193.1Thz的激光二極管，同時我們使用一個Pseudo-Random Bit Sequence Generator模擬所需的數字信號序列，經過一個NRZ脈沖發生器（None-Return-to-Zero Generator轉換為所需要的電脈沖信號，該信號通過一個Mach-Zehnder調制器，通過電光效應加載到光波上，成為最后入纖所需的載有“信息”的光信號。
展開 【Lumerical系列】硅基電光調制器（3.1）——常用的光學結構
滿足諧振條件的光留在環形波導中，而不滿足的光會從輸出波導耦合輸出。
圖1：微環諧振器腔的基本結構
將微環諧振條件公式變形可得：
從公式可以看出，諧振波長λ與波導的有效折射率 成正比，利用電光效應改變微環有效折射率 ，相應的諧振波長就會發生偏移，實現電光調制。因此只需要微小的折射率改變就可以導致顯著的諧振峰偏移，適合高速光調制領域。
圖2：微環調制器結構示意圖
圖3：在Lumerical CHARGE中進行電學仿真
如圖2、3為一個一個基于p-i-n結的硅基微環電光調制器，微環部分由p-i-n脊形波導構成，中間部分由本征硅作為波導，兩邊分別為p型和n型重摻雜區域，通過載流子注入機制實現電壓對載流子濃度的調制。
圖4：不同偏置電壓下，諧振峰發生偏移
從圖4可以看到，施加不同偏置電壓后，諧振峰發生了偏移，因此給器件加不同電壓時，某一固定波長處的透射率發生改變，從而實現電信號到光信號的轉換。
3)優缺點：
微環結構的引入給硅基電光調制器的性能帶來顯著改善。①由于微環調制器的尺寸很小，可以集成在高密度的光子芯片上。②由于微環諧振腔的高Q值，微環調制器可以在較低功率下工作，有助于降低整體功耗。③能夠實現高速調制，適用于高速光通信系統。
微環結構的不足之處在于：①受限于諧振條件，微環調制器的調制帶寬相對較小，對波長漂移非常敏感，不適用于寬帶應用。②微環調制器對溫度變化非常敏感，溫度的波動可能導致共振波長的漂移，從而影響調制性能。需要額外設計補償機制。目前提高器件性能的工作主要集中在電學性能方面，這限制了光電子器件各方面性能的提高主要問題。需要新型光學結構（如多環級聯）與新的調制機制的來為微環調制器的發展注入新的血液。
展開 如何在 COMSOL 中建立線性和非線性光學模型
當一束偏振光穿過平板后，他發現偏振是不同的。這種差異與玻璃折射率的變化有關，折射率與電場的平方成正比——這種現象被稱為磁光克爾效應（Kerr effect）。今天這邊文章將帶您了解如何對這種效應以及其他線性和非線性現象進行建模。
理解非線性光學材料的磁化率
當給介電材料施加電磁場時，電磁場會將材料中的電子從其原始軌道上遷移，使電子以特定的頻率振蕩。換句話說，磁場使材料極化。在這種情況下，位移場用外加電場的函數表示，如下所示:
其中，E 是施加的電場矢量，P 是極化矢量，
是真空介電常數，
是各向同性磁化率。
對于
各向異性介電材料
，極化矢量是磁化率張量的函數，如下所示:
最后，對于非線性介電材料，感應極化可以通過介質的磁化率(
)表示為介質內電場的函數，并如下所示:
其中，E 是外加電場，ε0 是真空介電常數，
是一階磁化率。
假設不存在獨立于 E 的極化。
光學材料的一階磁化率
一階磁化率(
)涉及由束縛和自由載流子(如電子)的偶極振蕩引起的折射率變化。Hendrik Lorentz 最初提出了創建一個數學振蕩器模型的想法，該模型可以將束縛電子的偶極振蕩與材料的磁化率聯系起來。Paul Drude 提出了半導體內部振蕩的概念，這種振蕩處理的是材料內部的自由載流子。結合了束縛載流子和自由載流子效應的新模型被稱為 Drude-Lorentz< 模型。
在 COMSOL Multiphysics? 中，Drude-Lorentz 模型可用于定義材料的相對介電常數。要定義 Drude-Lorentz 模型，需要將高頻下的相對介電常數、等離子體頻率、共振頻率和阻尼系數作為輸入給出，如下所示。
展開 Lumerical案例 | 內置直流偏置電極的薄膜鈮酸鋰行波調制器
摘要
基于薄膜鈮酸鋰的高性能電光調制器近期受到廣泛研究。由于馬赫-曾德爾調制器結構的特性，通常需要特定的直流（DC）偏置以確保調制達到最佳工作狀態。現有的偏置控制方案普遍存在缺陷，如需額外相移器、功耗高、調諧速度慢等問題。本研究提出并驗證了一種高效電極結構，可實現近零功耗的電光DC偏置調諧。該結構采用分層行波電極設計，無需額外光學元件且不影響調制性能。制備的器件展現出2.3Vcm的半波電壓長度積，帶寬遠超67GHz。通過分別和同時驅動微波調制和DC偏置電極，在低至高頻范圍內測量光傳輸特性，驗證了DC偏置調諧能力。在不同波長和偏置電壓下，該器件實現了高達224Gbps的數據傳輸速率。所驗證的嵌入式電極結構為薄膜鈮酸鋰馬赫-曾德爾調制器提供了突破性解決方案，可在緊湊尺寸、低功耗和快調諧速度下實現直流偏置控制。
1.引言
隨著全球信息傳輸需求的持續增長，高性能光通信系統已得到廣泛應用。傳輸質量與信息吞吐量本質上與電光（EO）轉換過程密切相關。光調制器，負責電域到光域的高速、高保真信號轉換，是此類光通信系統中的關鍵組件。因此，調制器性能向更緊湊結構、更高速度及更優能耗方向的發展，成為推動光子技術進步的重要驅動力。過去十年間，薄膜鈮酸鋰（TFLN）憑借其強烈的線性電光效應、寬透明窗口以及優異的熱穩定性、化學穩定性和物理穩定性，已成為高性能電光調制器的理想材料平臺。基于TFLN的馬赫-曾德爾調制器（MZM）已經被實現，其最佳性能：電光帶寬>100GHz且驅動電壓<1V。
除了性能優化外，對工作點，即直流（DC）偏置點的主動控制對于MZM設計至關重要，這要求干涉儀兩臂之間存在理想的初始相位差。例如，對于強度調制器，DC偏置點通常控制在正弦響應的正交點；而對于相干調制器，則常控制在零透射點。為了實現這種低速相位控制，通常在硅調制器上使用熱光（TO）效應。
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